（物理电子学专业论文）lobs边缘节点突发包组装和光板fpga实现.pdf

l o b s 边缘节点核心板突发包组装和光板f p g a 实现 摘要 近年来提出的光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技术， 结合了光路交换( o c s ) 与光分组交换( o p s ) 的优点，有效支持高突 发、高速率的多种业务，成为目前研究的热点和前沿。 本论文围绕国家“8 6 3 ”计划资助课题“光突发交换关键技术和 试验系统”，主要涉及两个方面：l o b s 边缘节点核心板和光板f p g a 的实现方案，重点关注于边缘节点核心板突发包组装算法。 本文第一章首先介绍l o b s 网络的背景、架构，分析了l o b s 网络 的关键技术，然后介绍了本论文后续章节研究的主要内容。 第二章介绍了l o b s 边缘节点的总体结构，主要由核心板和光板 组成。核心板包括千兆以太网物理层接入芯片，突发包组装f p g a ， 突发包调度f p g a ，s d r a m 以及背板驱动芯片( s 2 0 6 4 ) 等硬件模块。 光板包括$ 2 0 6 4 ，发射f p g a ，接收f p g a ，光发射机，光接收机，c d r 等硬件模块。论文对这些软硬件资源进行了详细介绍，重点关注于各 f p g a 与其余硬件资源的接口。 第三章阐明了l o b s 边缘节点f p g a 的具体实现方法，分为核心板 突发包组装f p g a 和光板f p g a 两部分。核心板f p g a 对数据和描述信 息分别存储，仅对描述信息进行处理，提高了组装效率。在维护突发 包信息时，实时查询和更新f e c 配置表，保证了对f e c 状态表维护的 灵活性。在读写s d r a m 时都采用整页突发读写模式，对m a c 帧整帧一 次性写入，读取时采用超前预读模式，对s d r a m 内存的使用采取即时 申请方式，十分灵活高效。光板f p g a 分为发射和接收两个方向，主 要是将进入f p g a 的数据进行同步后按照指定的格式发送。 第四章总结了论文的主要内容，并对l o b s 技术进行展望。本论 文组帧算法采用动态组装参数表的方法，可以充分支持各种扩展，包 括自适应动态组装算法。 关键词：光突发交换，边缘节点，突发包组装，f p g a ，核心板，光板 f p g ae p l e m e n to fb u r s tp a c 蔓ta s s e 肿l ym o d u l e 矾c o r ef u n c t i o nb o a r da n dc o r em o d u l ei n t r a n s c e i v e rb o a r do fl o b sn e t w o r ke d g en o d e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 。0 b sf o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) t h a tc o m b i n e st h eb e s to f0 c s a n d0 p si sp r o p o s e dt om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n da si tc o u l dp r o v i d er a p i dr e s o u l c 2 a l l o c a t i n ga n dh i g hn e t w o r ku s a g ew i 也r e l a t i v e l yl o wo p t i c a lt e c h n o l o g y n l ep a p e ri sb a s e do nt h e8 6 3p r o j e c t , ”o b sk e yt e c h n o l o g i e sa n de x p e r i m e n t a l s y s t e m ”a n dp r o v i d e st h ed e s i g na n di m p l e m e n ti nt h ec o r em o d u l eo ft h ec o r e f u n c t i o nb o a r da n dt h et r a n s c e i v e rb o a r do f 也ee d g en o d e s s p e c i a l l yc o n c e n t r a t e so n b u r s tp a c k e ta s s e m b l ym o d u l eo ft h ec o r ef u n c t i o nb o a r d ，w h i c hp l a y sas i g n i f i c a n t r o l ei nt h ee d g en o d e s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fl o b st e c t m o l o g 羹, a n di t sa r c h i t e c t u r e a n dk e yp o i n t s a n dt h e n , i n d i c a t e st h em a i nc o n t e n to f t h i sp a d e r c h a p t e r2i n d i c a t e st h ec o m p o n e n t so ft h ee d g en o d eo ft h el o b sn e t w o r k , w h i c hi sm a i n l yc o m p o s e do fc o r ef u n c t i o nb o a r da n dt r a n s c e i v e rb o a r d b o t hc o l e f i m c t i o nb o a r da n dt r a n s c e i v e rb o a r da r ec o m p o s e do fs o m eh a r d w a r em o d u l e s ，f o r e x a m p l eg b i te t h e m e tp h yc h i p 。p a r a l l e lt os e r i a li c $ 2 0 6 4 ，s d r a m ，f p g a , e t c t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r er e s o u r c e s e s p e c i a l l yc o n c e n t r a t e so nt h ei n t e r f a c e o f f p g aa n do t h e rh a r d w a r er e s o u r c e s c h a p t e r3d e s c r i b e st h ef p g ai m p l e m e n td e t a i l so f t h em o d u l e so f e d g en o d eo f t h el o b sn e t w o r k t h i sc h a p t e ri sc o m p o s e do f t w op a r t s ：t h eb u r s tp a c k e ta s s e m b l y f p g ai nt h ec o l ef u n c t i o nb o a r da n dt h ef p g ai nt h et r a n s c e i v e rb o a r d o nb u r s t p a c k e ta s s e m b l yf p g a d a t aa n di n f o r m a t i o na r es t o r e dr e s p e c t i v e l y , a n da r i t h m e t i c o n l yp r o c e s st h ei n f o r m a t i o n , w h i c hm a k e sa s s e m b l ya r i t h m e t i ce 佑c i e n c y w h e n a s s e m b l y , t h ea r i t h m e t i cd e m a n d sa n dr e n e w st h ef e ct a b l er e a l - t i m e l y w h e n w r i t e r e a ds d 删。a r i t h m e t i cr i s e sb u r s tp a g em o d e ，a n dd i v i d e ss d i m e m o r y e f f i c i e n c y t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ef p g ai m p l e m e n to fc o r em o d u l eo f “t r a n s m i t t i n gd i r e c t i o n a n d r e c e i v i n gd i r e c t i o n ”o nt r a n s c e i v e rb o a r d t h em a i n f u n c t i o no f t h ef p g ai ss y n c h r o n i z i n gt h ei n p u td a t aa n dt r a n s m i t t i n gt h e m c h a p t e r4 i sm a i n l ya b o u tt h ec o n c l u s i o no f t h i sp a p e r , a n a l y s i st h ek e yp o i n t s i nd e s i g n i n go ft h ee d g en o d e ，a t1 a s t , p r o p o s et h ei m p r o v e m e n tm e t h o dt oa c h i e v e h i 曲e rp e r f o r m a n c e n ea r i t h m e t i ci nt h i sp a p e ri sd e v e l o p a b l e ，i tc a ns u p p o r ts e l f a d a p t i v ea s s e m b l ya r i t h m e t i ci ns m a l lm o d i f i c a f i o n k e yw o r d s ：l o b s ，e d g en o d e ，b u r s tp a c k e ta s s e m b l y , f p g a ，c o r ef u n c t i o nb o 她 t r a n s c e i v e rb o a r d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：堑皇整日期：垦竺2 ：! ：竺： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：垒2 选坠。 导师签名：i 二毒 日期：丝z ：! ：坠： e t 期： 北京邮电大学硕士论文 1 1l o b s 的背景 第l 章绪论 全球i n t e m e t 和数据业务的爆炸式增长，各种新兴业务相继出现，如各种多 媒体网页、多媒体游戏、多媒体会议、电子商务等，使互联网络业务呈指数增长。 由于业务的多样性和多变性，传统的核心交换网络已经不适于互联网不断发展的 需要。这种形势促使研究者们加快对波分复用( w 1 ) m ) 传输和全光交换技术深入研 究，以便适应因特网流量的快速增长、业务的多样性和业务突发性“1 。总的来说， 光交换可分为波长路由的电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 和光分组 交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，0 p s ) 两种方式。 光电路交换( 如w d m 网络中的波长路由) 面向连接，采用双向预约，即先 在源宿之间预留双向固定带宽通道，建立好光通路，然后再进行数据传输，通信 完成后再用信令拆除光路。其优点是中间交换节点不需要对数据进行缓冲和光电 ( 或电光) 转换，因此网络中无光缓冲器件，实现的复杂度低；缺点是带宽利用 率较低，特别是对突发业务，建立和拆除光路的时间较长。该技术目前已经研究 成熟，并逐步大规模应用，完成该交换功能主要是通过使用光交叉连接器( o x c ) 和光分插复用器( 0 a d m ) 来实现，但是这种交换模式只是粗粒度的光交换，不 能取代口层的分组交换。 光分组交换面向非连接，采用存储转发方式：包头和数据同时发送，在光层 中一般采用低速的副载波调制，直接实现小粒度的分组交换。其优点是支持信道 统计复用，适合于突发业务，而且交换粒度小，带宽分配灵活而高效；缺点是要 求较高的处理速度，中间节点在处理包头的同时要对每个分组进行缓冲，所以实 现的复杂度高，特别是目前光缓缓存器件还不成熟，这个缺点比较突出。光标记 交换和多波长标记交换是目前研究得最多的实现光分组交换的技术，并在近年来 取得了一些进展，基于光分组交换的光i p 路由器可望直接完成i p 层的分组交换， 但由于在一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大 突破之前，分组交换的控制头部分逻辑处理和数据缓存仍无法在光域内完成，仍 需进行o e 转换后在电域进行处理，但由于其分组交换的粒度过小，光分组交换 仍然要受到电子器件处理速度的限制，尚难以从实验室走向实用。 针对o c s 和o p s 的缺点，近年来提出了一种新的光交换方式，即光突发交换 ( o b s ) ，它结合了两者的优点，避免了二者的不足“，是从o c s 到o p s 的一种比 2 北京邮电大学硕士论文 较理想的过渡方案。 在o b s 网络中，中间节点无需任何光r a g ，突发数据的传输是通过它相应的 控制分组( b c p ) 预留资源来完成的，突发数据分组在中间节点直通。无需存储。 相对于光电路交换，o b s 可获得更好的带宽利用率，因为它允许每一个波长的突 发数据流之间统计复用，否则需占用几个波长。另外，突发分组的端到端( e t e ) 延时相对较少，因为偏置时间远小于波长路由中建立波长通道的时间。 在o b s 系统中，一般采用单向预留的方式，即控制分组提前于数据突发分组 发送，而数据突发分组在等待一定的时间后，不需要等待回复确认消息，直接在 预先确定的信道( 波长) 上发送。每个控制分组对应于一个突发数据分组，它包含 其对应突发数据分组的一些基本信息，如突发长度、偏置时间、波长i d 和路由 信息等，比突发数据短得多。 在中间核心节点，控制分组经过光电光变换和电信息处理，为相应的光突 发分组预留资源。而突发数据分组不需光电光处理，从源节点通过控制分组事 先配置好的链路，直接透明( 全光) 地传送到目的节点“1 。 由于光突发交换与光电路交换和光分组交换相比具有特有的优势，同时m p l s 的标签交换技术对未来网络组网技术的影响也意义深远，所以同样可以将m p l s 的标签交换思想引入到光突发交换中来，从而产生了基于标签的光突发交换技术 l o b s ，为i po v e rw d m 光互联网开辟了一种新的解决方案。 基于标签的光突发交换l o b s 技术与m p l m s 技术在吸收m p l s 标签交换技术方 面的基本思路是一致的，所不同的主要是l o b s 将控制信道和数据交换信道进行 了分离，标签信息在控制包中：而且这时在波长信道上所承载的数据是由多个 i p 包组成的突发数据流。在l o b s 网络中，每一个控制包分组由控制信息和标 签构成，并作为一个普通的i p 包在运行了l d p 而预先建立起来的一个l o b s 通路 上被传送，该通道就类似于标签交换通路l s p 。在入口l o b s 节点将多个i p 包组 装成突发数据流，然后该突发数据流就在由节点对控制包中的标签进行处理后相 应建立起来的波长通道上传输。在数据流的整个转发过程中，都无需进行任何电 子操作而完全在光域上执行，其它的标签操作均类似于m p l m s 实现方案。在m p l m s 中，每一个波长为一个标签，即就是标签交换通道l s p 是波长通道。这时由于缺 乏波长合并( m e r g i n g ) 技术，所以中间节点无法在光域上实现对多个l s p 的整 合操作，因此不能实现业务合并和疏导( g r o o m i n g ) 。相反在l o b s 中每一个突发 数据流对应一个标签，在每一个交换节点上都对标签信息、波长号、偏置时间等 控制信息执行电处理操作，因此不同l s p 通路上的突发数据流无需进行光电 光变换就完全可以进行业务整合。 北京邮电大学硕士论文 1 2l o b s 的网络架构及关键技术 在l o b s 网络中，采取了将控制信息和数据信息剥离的方法，提前发送控制 分组，沿路为数据信息预约节点资源，数据信息在l o b s 的边缘接入节点组装成 突发包，突发包从源节点到目的节点的传输，始终在全光域内。而控制信息则在 每个节点处要进行o b o 的转换。图1 - 1 简单描述了o b s 网络大致的拓扑结构。 o “_ 一鲫“一唧一“ 图i - 10 b s 网络拓扑结构 其中边缘路由器( e d g e dr o u t e r ) 负责对接入业务( 如以太网接入、a t m 接 入、s d h 接入等) 的汇聚及反向拆卸，核心路由器( c o r er o u t e r ) 完成汇聚业 务在核心骨干网内的全光域交换。从上图的拓扑结构以及网络功能来看，l o b s 汇聚层是介于承载i p 业务的链路层和物理层之间的一个连接层，而l o b s 路由层 则是介于i p 层和链路层之间的一个网络层。 边缘节点的i p 业务汇聚完成后，将突发分组进行排队，调度器按照数据信 道和控制信道的使用情况，采用一定的协议控制算法选择突发包的发送。同时提 取突发包的控制信息，当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送 控制分组，它包括了突发包的路由信息、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信 息。偏置时间后，突发包由调度器调度成帧送入d m 光层。在接收节点处，也由 边缘节点完成包的拆卸工作。系统功能结构框图如图1 2 所示。 图卜2o b s 边缘节点系统结构框图 4 北京邮电大学硕士论文 l o b s 的核心节点在电域处理从控制信道收到的提前发送的控制信息包，解 析它可以得到突发数据的偏移时间、突发长度、数据信道的波长、目的地址等控 制信息，并根据这些信息完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发数据包在 全光域内能进行快速的交换，这样既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也 无需进行光电转换处理，始终在全光域内传输，大大提高了交换的灵活性。 核心节点主要由交换控制、网元管理、光交叉和线路接口4 个功能模块组成。 交换控制模块完成处理信令、查找转发表、预约资源、判决和处理冲突等功能。 网元管理模块主要实现高层协议的处理，包括转发表的维护与更新等。光交叉模 块主要由空分交叉矩阵f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 和w c ( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 组成。在交换控制模块的控制下，这些部件协调工作，共同为数据提供透明通道。 线路接口模块包括m u x 、d 删x 和e d f a 等器件”。 l o b s 网络存在一系列的关键技术，如：突发调度、汇聚算法、偏置时间设 置、q o s 保证、资源竞争解决等。其中，边缘节点处的流量汇聚是o b s 中最基本 的核心问题之一，它直接或间接涉及到上述问题的讨论与解决，对网络综合性能 和带宽利用效率均有较大的影响”。 1 3 论文主要内容 本论文在说明l o b s 的相关背景和关键技术后，主要阐述边缘节点的结构和 f p g a 实现方法，并分析实验结果。 第二章将介绍l o b s 边缘节点的总体结构，包括核心板和光板的结构和设计 方案，特别将对设计中所使用到的软硬件资源进行详细的介绍。通过本章将对边 缘节点的功能结构，边缘节点各f p o a 的主要功能有清晰的认识，明确其与其余 硬件资源的接口格式。 第三章将阐述l o b s 边缘节点f p g a 的具体实现方法，分为核心板突发包组 装f p g a 和光板f p o a 两部分，介绍在f p g a 上实现的算法，着重介绍关键模 块的处理流程和具体实现方法，给出实验调试结果，并阐明本设计与o b s 一期 项目的光板f p o a 设计的区别。通过本章，将了解本设计采用的组帧f p g a 和光 板f p g a 的算法和具体实现方式，通过实验调试结果验证设计的正确性a 第四章将总结论文的主要内容，对l o b s 技术进行展望。针对设计的技术要 点和现有的硬件资源，提出设计方法还需改进之处，并给出改进的方法。 本论文将围绕上述几个方面阐明l o b s 边缘节点核心板突发包组装和光板 f p c 认算法的实现方法。 5 北京邮电大学硕士论文 第2 章l o b s 边缘节点的设计 2 1l o b s 边缘节点的总体结构 在光突发交换网络中边缘节点处于一个十分重要的位置，存在多项关键技术 需要解决。根据l o b s 网路边缘节点的功能要求，l o b s 边缘节点主要完成接入各 种业务数据并适配到l o b s 网络，同时接收来自l o b s 网络的突发分组并完成反向 适配。首先边缘节点需要实现发射方向业务的适配，协议的转换，数据包的分类 汇集及交换，q o s 支持，突发数据分组成帧，光的突发发射等，同时还要实现信 令控制算法，生成控制分组，发起控制信令等。在接收方向需要完成光的突发接 收，分组的拆卸，数据包的分类汇集及交换等。这些技术难点覆盖了光域、电域 和软件等领域，相对来说难度更大。 在物理实现结构上主要分为三个部分：交换板、核心板和光板。如图2 - 1 所 示： 图2 - 1 边缘节点物理结构 交换板实现业务接口功能，它位于边缘结点数据接入部分，主要负责不同速 率以太网数据的接入，并将这些数据会聚以后，提供给控制板，完成突发组装。 交换板对外提供g e 口和f e 口的接入，经过3 个汇聚后的g e ( 1 0 0 0 b a s e _ t ) t r u n k 模式端1 ：3 ，为控制板提供数据。 核心板是l o b s 边缘节点的主功能板，主要实现i p 包排队、突发包组装和调 度功能。但是具体来说它在整个系统中还要承担以下功能： 北京邮电大学硬士论文 1 l o b s 网络中基本的路由功能和流量控制，包括波长信道指配； 2 实现对各单板的复位以及板在位检测； 3 高层软件载体，搜集网管信息实现边缘节点的网管。 光板实现控制信道和数据信道的发送和接收尤其是数据信道的突发模式的 发送和接收。 系统采用高速背板技术实现各个单板间的高速数据链路( i g b p s ) 。所有高速 数据链路都在各单板上经过总线驱动器驱动后在背板上进行单点连接，实现全双 工通信。外围的监测设备可以通过r j 4 5 以太网接口连接到系统的控制板，实现 简单的网络管理和系统维护。 2 2l o b s 网络边缘节点核心板的结构 核心板结构如图2 - 2 所示： 图2 - 2 核心板结构图 边缘节点核心板主要完成接入各种业务数据并适配到o b s 网络，同时接收来 自o b s 网络的突发分组并完成反向适配。它提供外部数据业务接入端口为3 个经 过交换板汇聚后的g e ( 1 0 0 0 b a s b - t ) t r u n k 模式端口，数据经过核心板上的物理 层芯片后进入负责突发包组装的f p g a ，该f p g a 将i p 数据根据其目的边缘节点 7 北京邮电大学硕士论文 和q o s 的不同分另j j 组装成为不同的突发包，并存入s d r a m 中，当突发包组装完毕 后，向负责突发包调度的f p g a 发送消息，使该突发包进入调度队列。调度成功 后，负责突发包调度的f p g a 将通过控制信道，向核心节点发送控制帧为突发包 预约信道资源。当突发包到达其偏置时间后，负责突发包调度的f p g a 在向负责 突发包组装的f p g a 发送消息，在向负责突发包组装的f p g a 将突发包数据从s d r a m 读出，通过$ 2 0 6 4 的一个通路发送到数据信道上去。反之，来自外部的光数据， 经过光板接收后，在通过s 2 0 6 4 芯片发送至突发包组装f p g a 进行拆解，统计后 发送至通向交换板的g e ( 1 0 0 0 b a s e - t ) t r u n k 模式端口，交换板将数据发送至最 终用户嗍。 在边缘节点核心板需要实现组帧和调度两项基本的主功能，如图2 3 所示： 图2 - 3 核心板主功能结构图 在o b s 网络中，基本交换单位是突发包( b u r s t ) 。突发包是由许多具有相同 的出口边缘路由器地址及相同的服务质量( q o s ) 要求的i p 分组组成。边缘节点 将从各类业务接口进入的具有相同出口边缘路由器地址和相同的o o s 要求的i p 分组，会聚成长度比i p 分组大很多的突发包，当突发包的长度达到网络要求的 数据长度门限或突发包的生存时间达到要求时间门限时候，将不再向该突发包添 加i p 数据，同时向调度器发送一个突发包组装完毕信号信号，使该突发包进入 调度队列，调度器将发送预约信息到核心节点预约网络资源，在中间核心节点， 控制分组经过光电光变换和电信息处理，为相应的光突发分组预留资源。 8 北京邮电大学硕士论文 2 3l o b s 网络边缘节点光板的结构 光板实现控制信道和数据信道的发送和接收，论文将详细阐述数据信道的突 发模式的发送和接收。 如图2 - 4 所示，发射方向上，光板接收核心板发送入的突发帧，实现数据帧 和控制帧的定时发送。突发帧通过背板上的高速数据链路进入光板上的$ 2 0 6 4 的 一个通路，$ 2 0 6 4 将其转换成并行的8 b 码进入发射f p g a ，发射f p g a 将突发帧进 行同步后再次发送至$ 2 0 6 4 ，实现了突发帧的发送。 图2 - 4 光板发射方向宏观结构图 如图2 5 所示，接收方向上，光数据板接收数据突发帧送到核心板，拆分后 接入普通以太网。光控制板接收控制突发帧送到核心板，从而完成网络节点间的 控制信息通信。突发帧通过光接收机进入接收f p g a ，接收f p g a 对突发帧进行同 步及i o b 至8 b 解码后送至$ 2 0 6 4 ，$ 2 0 6 4 将其转换成1 0 b 串行码后发送到背板高 速数据链路上，实现突发帧的接收。 图2 - 5 光板接收方向宏观结构图 9 北京邮电大学硕士论文 在图2 - 1 边缘节点物理结构中，光收发板二为数据信道光收发板，光收发板 一为控制信道光收发板。 数据信道光收发板应为两条数据帧收发信道，包括相应的数据处理部分，如 图2 - 6 所示： 图2 - 6 数据信道 控制信道光板为一条数据帧收发信道及一条控制帧收发信道，包括相应的数 据处理部分，如图2 - 7 所示： 。 图2 - 7 控制信道 2 4l o b s 网络边缘节的f p g a 及其功能 边缘节点尽量采用现有的功能接近的高速专用芯片实现。 1 0 北京邮电大学硕士论文 对于核心板而言，符合o b s 功能要求的专用芯片是不可能买到的，只能靠 高速的f p g a 自己编程来实现l o b s 的核心功能。这次系统使用的组装和调度 f p g a 都选用的是a l t e r as t r a t i x t mi if p g a ，e p 2 s 3 0 ，s t r a t i xi if p o a 采用前沿的 9 0 n m 技术构建，能够提供目前业内最大的密度和逻辑效率。s t r a t i x i i f p g a 中 的t r i m a t r i x 存储器具有多达9 m b i t 的r a m 。这种先进的存储结构包括三种大小 的嵌入存储器块一一m 5 1 2 、m 4 k 和m - r a m 块，可配置支持多种特性。 对于光板而言，同样也没有专用芯片可以选用，系统延用o b s 一期的光板， 接收和发射方向的f p g a 都是a l t e r a c y c l o n e f p g a ，e p l c l 2 f 3 2 4 c 8 。这款f p g a 的r a m 可达2 3 9 6 1 6 b i t s ，速率等级为7 ，支持的最高速率可达6 4 0 m b p s 的i o 口。 与f p g a 有联系的a s i c 芯片主要如下： 背板驱动芯片s 2 0 6 44 路1 2 5 g 串行传输通道，自带8 b 1 0 b 编解码器， 驱动能力达2 5 米铜线。$ 2 0 6 4 芯片在核心板和光板上都有用到。s 2 0 6 4 是美国 a m c c 公司近年推出的端到端1 0 0 0 b s a e - x 的物理层芯片。1 0 0 0 b s a e x 的物理层 使用简单的不归零( n r z ) 8 b 1 0 b 块线路编码，8 位数据( 1 个字节) 被编成1 0 位代 码，每个传送的字节有256 种可能的数据值，而代码字理论上具有1 0 2 4 种可能 的值，所以线路码被分为d 分组( 用于数据字节编码) 和k 分组( 用于特殊控 制符号编码，其中j 为了保证串并转换是在正确的字节对齐状态下进行，必须 通过恢复字节对齐处理，而用于对齐的同步字节k 2 8 5 是恢复对齐处理的关键 字节。恢复字节对齐处理模块首先搜索串行比特数据流中的k 2 8 5 字符) 。 千兆以太网的物理层接入芯片8 8 e l o o o 是标准的千兆以太网物理层芯 片，可以完成以下功能：支持铜双绞线上的千兆以太网连接；集成的8 b 1 0 b 编 解码器；集成的扰码器；向上支持g m i i 的接口逻辑；向下兼容1 0 1 0 0 m t r a n s c e i v e r ；提供8 0 2 3 a b 中m a s t e r s l a v e 和流量控制和自动协商机制。 s d r a m 颗粒现代h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c ，3 3 v - 1 - 作电压，4b a n k sx4 mx 1 6 b f f ，最大突发长度2 5 6 ，8 1 9 2r e f r e s hc y c l 豁6 4 m s ，c a sl a t e n c y 为3c l o c k s ， 最高速率可达1 3 3 m h z 。 下面详细介绍各芯片的互连通信方式，主要阐述核心板突发包组装f p g a 和 数据信道收发光板的f p g a 。 2 4 1l o b s 网络边缘节点核心板的f p g a 核心板上有突发包组装和突发包调度两块f p g a ，本节主要论述突发包组装 f p g a 与其他芯片的互连通信方式，也包括两块f p g a 之间的互连。 北京邮电大学硕士论文 2 4 1 1 突发包组装f p g a 与8 8 e 1 0 0 0 负责突发包组装的f p g ae p 2 s 3 0 与1 0 0 0 b s a e - t 物理层芯片8 8 e 1 0 0 0 通过独 立于介质的千兆接口( 伽i i ) 互相通信，完成数据包的收发，例i i 主要包含以下2 组信号： i 传送信号。这些信号包括字节宽传送数据( t x d 7 o ) ，传送时钟 ( t x _ c l k ) 、传送允许( t x e n ) 和传送出错( t x _ e r r ) 等信号。数据信号与 时钟同步，是数据率的8 分之1 ，或1 2 5 删z ( 1 g b s = 1 2 5 船s ) 。 2 接收信号。包括字节宽的接收数据( r x d 7 o ) ，接收时钟( r x _ c l k ) 、 接收数据有效( r xd v ，相当于接收允许信号) 和接收出错( r x j r r ) 等信 号。与传送信号类似，接收数据与1 2 5 m h z 接收时钟同步。 当f p g a 向8 8 e 1 0 0 0 传送数据时，t x _ e n 为1 指示有效数据的开始，同 时数据出现在t x d 7 o 上，当数据结束时，t x _ e n 变为0 指示数据结束。 当8 8 e 1 0 0 0 向f p g a 传送数据时，r x d v 为1 指示有效数据的开始，同 时数据出现在r x d 7 0 上，当数据结束时，r x _ d v 变为0 指示数据结束。 、 “ 咖限们 t x e n 。 t xc l k 突发包组装 10 0 0 b s a e 。t f p g ap h y e p 2 s 3 0 名舢， 8 8 e 1 0 0 0 r xd v r xc l k r xe r r 图2 8 突发包组装f p g a 与8 8 e 1 0 0 0 通信方式 2 4 i 2 突发包组装f p g a 与$ 2 0 6 4 $ 2 0 6 4 把接收自f p g a 的并行数据或同步字k 2 8 5 先进行8 b l o b 转换，然 后经过串码器变成1 2 5 g b i t s 的高速串行码流发送给光板进行光突发发射的 1 2 北京邮电大学硕士论文 调制信号源。 在接收方向，他将来自光板解调的电突发码流解串之后在进行1 0 b s b 转 换，最后将数据或同步特殊字符输出，通过输出一位标志位，表明输出的是数 据或特殊字符。由于s 2 0 6 4 不能实现特殊字符的删除和添加，所有线路码的类 型都需要由f p g a 产生和识别，他们具体通信方式如下： 突发包组装f p g a 向$ 2 0 6 4 传送有效数据时。f p g a 将k _ g e n 信号线置为o 指示有效数据的开始，同时f p g a 将数据发送到在t x d 7 0 3 数据总线上，当数 据结束时，f p g a 将l ( _ g e n 信号线变置1 同时让t ) ( d 7 0 输出0 x b c ，此时 $ 2 0 6 4 将只发出k 2 8 5 字符。 突发包组装f p g a 接收$ 2 0 6 4 传送来的数据时。先检查k _ f l a g 信号线是否 为0 ，为0 即指示有效数据开始了，f p g a 将r ) ( d 7 0 数据总线上的数 据接收至内部处理，否则不理会r ( d 7 d 数据总线上的数据。 卜 t x d 7 o kg e n t xc l k 突发包组装 s o f r 10 0 0 b s a e x f p g a 1 p h y ： r x d 7 0 e p 2 s 3 0 j e o f 一1 。s 2 0 6 4 kf l a g 7 r xc l kv r e r r 图2 9 突发包组装f p g a 与s 2 0 6 4 通信方式 2 4 1 3 突发包组装f p g a 与突发包调度f p g a 之间 突发包组装f p g a 与突发包调度f p g a 之间有许多信息需要沟通，故这两 个芯片之间有非常多的连线来互通，按性质可以分为两类，一类是高速线，用 来传输突发包组装信息和突发包发送信息，一类是配低速线，主要是突发包调 度f p g a 读写和配置突发包组装f p g a 的内部寄存器，初始化f e c 状态参数 北京邮电大学硕士论文 表，以及接受告警消息等等。具体如下： l 、高速部分 这一部分采用与计算机结构类似的数据地址总线模式，数据线为1 6 根d a t a i s 。0 】，地址线为l o 根，故可以寻址2 k b y t e 的数据空间。当突 发包调度f p g a 将r e a d 置高后，同时在a d d r e s s 9 一o 】线上给出相应的 地址即可实现对应地址的数据的读取，同里，当突发包调度f p g a 将 w r i t e 置高后，同时在a d d r e s s 9 0 1 线上给出相应的地址和在 d a t a 1 5 o 】给出要写入的数据即可实现对应地址的数据的写入，简单方 便。 此外，当突发包组装f p g a 有数据想要向突发包调度f p g a 发送数据 或发生报警时可以通过将i n t 信号置高的方法通知突发包调度f p g a ，突 发包调度f p g a 会查询相应的地址位来获取进一步的消息并进行相应的处 理。 最后为系统扩展和f p g a 功能的升级，在突发包组装f p g a 与突发包 调度f p g a 之间还预留了4 根线b a c k u p 3 。o l 作为备份。 t x d m o ，7 t x e n 。 t x c l k - - 突发包组装 t x _ r e q 突发包调度 f p g a 1 f p g a e p 2 s 3 0 、r x d 1 5 。0 1 e p 2 s 3 0 r xg n t r xd v r x c l k 图2 - 1 0 突发包组装f p g a 与突发包调度f p g a 之间高速通信连接 2 、低速部分 这一部分采用与计算机结构类似的数据地址总线模式，数据线为1 6 根 1 4 北京邮电大学硕士论文 d a t a 1 5 o 】，地址线为1 0 根，故可以寻址2 k b y t e 的数据空间。当突发包调度 f p g a 将r e a d 置高后，同时在a d d r e s s 9 。0 1 线上给出相应的地址即可实现 对应地址的数据的读取，同里，当突发包调度f p g a 将w r i t e 置高后，同时 在a d d r e s s 9 。o 】线上给出相应的地址和在d a t a 1 5 。o 】给出要写入的数据即 可实现对应地址的数据的写入，简单方便。 此外，当突发包组装f p g a 有数据想要向突发包调度f p g a 发送数据或发 生报警时可以通过将i n t 信号置高的方法通知突发包调度f p g a ，突发包调度 f p g a 会查询相应的地址位来获取进一步的消息并进行相应的处理。 最后为系统扩展和f p g a 功能的升级，在突发包组装f p g a 与突发包调度 f p g a 之间还预留了4 根线b a c k u p 3 。0 1 作为备份。 。撇m 删 i n t 一 e r r 1入 突发包组装 ：b a c k u p 3 0 突发包调度 f p g a ny 1 f p g a e p 2 s 3 0 ：a d d r e s s l 9 0 e p 2 s 3 0 n r e a d 。s 一一，。1f ， w r i t e ，。e 一一 ：j i | i ，。c l k “4 ” s 。 f” “ ， j 图2 - 1 l 突发包组装f p g a 与突发包调度f p g a 之间低速通信连接 2 4 1 4 突发包组装f p g a 与s d r a m 内存芯片之间 突发包组装f p g a 与s d r a m 内存芯片的主要信号有：控制信号、控制信号、 数据信号，均为工作时钟同步输入、输出信号。控制信号主要有：c s ( 片选信 号) ，c a s 、r a s 、w e ( 读写控制命令字) 。通过c a s 、p _ a s 、w e 的各种逻辑 组合，可产生各种控制命令。地址信号有：b a 0 和b a l 页地址选择信号，a o a 1 2 地址信号，行、列地址选择信号。通过分时复用决定地址是行地址还是列地 址。在读写操作中，在地线上依次给出页地址、行地址、列地址，最终确定存储 l s 北京邮电大学硕士论文 单元地址。 d 姒s 删a s 删 w e c a s 突发包组装 b a f l 1 0 1s d r a mf p g a e p 2 s 3 0 a d d r e s s n 2 。1 c l k c sn d q m 图2 1 2 突发包组装f p o a 与s d r a m 通信连接 2 4 2l o b s 网络边缘节点光板的f p g a 光板有数据信道收发光板和控制信道收发光板两种，本节具体论述数据信道 收发光板。数据信道收发光板上有两块f p g a ，一块用于接收，